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热处理参数对5052铝合金力学性能的影响研究

[摘要]:铝合金具有密度低、重量轻、耐腐蚀、比强度高等优点，是结构轻量化设计的首选材料，但是最终成形的铝合金的力学性能与铝合金的最终热处理状态和变形条件的影响很大。以5052-H32铝合金冷轧板为研究对象，借助于单向拉伸试验、硬度测试对不同热处理参数条件下的力学性能进行研究，并通过微观金相分析，分析不同热处理工艺参数对5052铝合金力学性能参数的影响机制，在此基础上，借助Johnson-Cook模型建立再次热处理后5052铝合金板材的本构模型。

关键词：铝合金；热处理；力学性能；流变应力；本构模型

1. 前言

铝合金具有密度低、重量轻、耐腐蚀、比强度高等优点，是结构轻量化设计的首选材料^[1]，但是最终成形的铝合金的力学性能与铝合金的最终热处理状态和变形条件的影响很大。因此，探究不同热处理条件和变形条件下的铝合金的基本力学性能是研究的重点^[2,3]。

5系铝合金属于Al-Mg合金，具有良好的成形加工性能和抗腐蚀性能，被广泛应用于航空、汽车和轨道交通领域^[4-6]。5052铝合金是5系铝合金中研究较为广泛和工业应用较广的合金之一，具有比强度高、焊接性能和加工性能优异等优点，广泛应用于工业制造领域^[7,8]。5052铝合金属于不可热处理的强化铝合金，其主要的强化方式是固溶强化和形变强化。固溶强化主要依靠合金中添加的Mg元素，Mg元素与基本元素形成beta;相，起到一定的固溶强化作用，但是强化效果有限，因此，5052铝合金的主要强化手段是加工硬化，即通过对热轧后的铝合金板材进行一定变形量的冷轧，使位错进行增值纠缠，从而提高材料的强度。随着制造业的快速发展，对5052铝合金的性能提出了更高的要求。因此，研究5052铝合金板材的流动应力对金属塑性变形工艺的制定具有重要意义。

本文以052-H32铝合金冷轧板为研究对象，5052-H32铝板是指Al-Mg系铝合金，是使用范围广的一种防腐铝，这个铝合金的強度高，特别是有着抗疲劳强度：延展性与抗腐蚀高，不可以热处理强化，在半冷作硬化时塑性尚好，冷作硬化时塑性低，抗腐蚀好，电焊焊接性优良，可进行阳极氧化处理，板面漂亮，可打磨抛光。借助于单向拉伸试验、硬度测试对不同热处理参数条件下的力学性能进行研究，分析不同热处理工艺参数对5052铝合金力学性能参数的影响机制，在此基础上构建经过再次热处理后5052铝合金板材的本构模型。

1. 国内外研究概况
2. 性能的研究

Eivani等^[9]通过热压缩试验对7020铝合金在高温下的变形行为，获得了不同应变速率和变形温度条件下7020铝合金的流变应力曲线和本构模型。Zuiko等^[10]对2519铝合金在时效处理时的析出行为和力学性能进行研究，获得了不同时效温度和时效时间对析出相对2519铝合金强度、延伸率的影响。孙雪等^[11]研究了Al-Mg-Sc-Zr合金的超塑性能，结果表明在Al-Mg-Sc-Zr合金超塑性变形过程中发生了动态再结晶，同时析出的第二相粒子可以有效抑制晶粒粗大的长大。Zhu等^[12]对热压缩条下2050铝锂合金的热变形行为进行研究，分析了摩擦条件和温差对流动应力影响，获得了2050铝锂合金的在不同温度和应变速率条件下的流动应力。Zhang等^[13]通过等温热压缩试验研究了Al-Zn-Mg-Cu合金在不同温度和应变速率下的高温流变应力特性，获得了不同变形条件下Al-Zn-Mg-Cu合金的硬化特性。Liu等^[14]通过透射电镜、硬度测试和拉伸试验等方法，研究不同热处理工艺参数对7075铝合金板强度的影响，研究结果表明：时效温度在100-140°C范围内，7075的硬度呈现先增加后降低变化趋势。黄裕金等^[15]综合考虑形变热、变形温度和应变速率对2E12铝合金流变行为的影响，获得了不同变形温度和应变速率条件下2E12铝合金的流变特性。蔡一鸣等^[16]通过对7039铝合金在热压缩条件下的变形行为的研究发现：变形温度和应变速率对7039铝合金流变应力的大小有显著影响，随变形温度的升高流变应力减小；在相同的变形温度条件下随着应变速率的增加流变应力逐渐增大。Wang等^[17]和许晓静等^[18]借助金相显微结构分析和基本力学性能测试，对不同轧制变形量及后续退火处理条件下5052铝合金的组织与性能进行研究，获得了不同轧制条件和退火工艺条件下5052的抗拉强度、均匀延伸铝、硬度等力学性能参数。魏小华^[19]研究了不同冷轧变形程度、退火温度和保温时间等因素对5052铝合金板材力学性能的影响,确定了5052合金H32状态板材的生产工艺参数。林启权等^[20]对不同变形温度和变形速率条件下5052铝合金板材的流变应力进行研究，并且基于Zener-Hollomon参数的Arrhenius双曲正弦关系建立了高温条件下5052铝合金的本构模型。杨直达^[21]通过对冷轧后的5052铝合金板材进行不同温度及时间的退火，研究了退货制度对其组织和性能的影响。郑玉林等^[22]研究了5052铝合金的流变应力并得到了材料的本构方程，但缺乏对本构方程的可靠性以及应用于数值模拟的可靠性的验证。刘阳阳^[23]在热压缩实验的基础上求得5052铝合金的本构方程和热激活能，并将其输入DeForm-3D软件进行相同实验条件下的数值模拟，从峰值应力和变形的不均匀性两方面对所建立材料模型的正确性和可靠性进行了验证。从上述研究成果可以看出，5052铝合金的力学性能指标主要受最终热处理状态的影响很大，为了制定合理的塑性成形工艺，必须明确不同热处理状态条件下5052铝合金的力学性能参数，在保证强度指标的前提下获得最大延伸率是保证塑性成形工艺的关键。

1. 模型的选择

今已提出了多种本构模型来描述金属材料的率相关动态响应，这主要有两类：①经验本构模型，主要包括：Johnson-Cook(J-C)模型、Kloop-Clifton-Shawki模型、Campbell模型、Klepaczko模型等；②基于物理学的本构模型，主要包括：Hoge-Mukherjee模型、PrestonTonks-wallace( w )模型、Steinberg-Guinan模型、Steinberg-Guinan-Lund(SGL)模型、Zerilli-Amstrong (ZA)模型、广义 Zerilli-Amstrong模型和 MTS模型等。在上述模型中，J-C模型是得到了广泛应用的模型之一，如动力学程序 LS-DYNA、MSC、Dytran和 ABAQus／explicit均采用了该模型。它考虑了温度、应变率和应变等因素，形式简单，具有清晰的物理解释，同时参数较少并较容易得到。J-C模型适用于描述金属材料从低应变率到高应变率下的动态行为，甚至可以用于准静态变形的分析，因此针对前述试验结果采用J-C模型进行描述。J-C模型是一种经验型的粘塑性本构模型，这种 模型能够较好地描述金属材料的加工硬化效应、应变率效应和温度软化效应 。只考虑流动应力的Johnson-Cook本构关系的表达式如公式(1)所示。

（1）

1. 金相分析

为了进一步从微观角度揭示热处理时的加热温度、保温时间、冷却方式对5052铝合金力学性能指标的影响机制，借助蔡司显微镜对不同热处理参数条件下5052铝合金的微观结构进行分析。轧制变形的铝合金板材经过再结晶退火后发生再结晶过程，再结晶过程包括再结晶晶粒的形核和长大。再结晶形成的晶粒组织仍然有择优取向现象，称为再结晶结构。再结晶过程包括晶粒的形核和长大两个阶段，相应的再结晶织构的形成机制也主要有两种：取向形核理论和取向长大理论^[24]。影响再结晶过程的过程是复杂多样，以上两种理论都只能解释晶体再结晶织构形成过程中的部分现象。研究者在对材料再结晶行为进行深入研究过程中发现，许多情况下是由两种再结晶织构形成的新理论，即择优形核—择优长大理论。在该理论的解释中，形核过程形成了一些特殊的取向亚晶，而部分这些特殊取向的亚晶长与变形基体的特殊取向关系使其在长大过程有着一定优势。这两种机制共同决定了材料的最终的再结晶织构^[25]。